使⽤Pytorch搭建模型的步骤
本来是只⽤Tenorflow的，但是因为TF有些Numpy特性并不⽀持，⽐如对数组使⽤列表进⾏切⽚，所以只能转战Pytorch 了（pytorch是⽀持的）。还好Pytorch⽐较容易上⼿，⼏乎完美复制了Numpy的特性（但还有⼀些特性不⽀持），怪不得热度上升得这么快。
1 模型定义
和TF很像，Pytorch也通过继承⽗类来搭建⾃定义模型，同样也是实现两个⽅法。在TF中是__init__()和call()，在Pytorch 中则是__init__()和forward()。功能类似，都分别是初始化模型内部结构和进⾏推理。其它功能⽐如计算loss和训练函数，你也可以继承在⾥⾯，当然这是可选的。下⾯搭建⼀个判别MNIST⼿写字的Demo，⾸先给出模型代码：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
from torch import nn,optim
from torchsummary import summary
from keras.datasets import mnist
from keras.utils import to_categorical
device = torch.device('cuda') #——————1——————
class ModelTest(nn.Module):
def __init__(self,device):
super().__init__()
self.layer1 = nn.Sequential(nn.Flatten(),nn.Linear(28*28,512),nn.ReLU())#——————2——————
self.layer2 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
self.layer3 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
self.layer4 = nn.Sequential(nn.Linear(512,10),nn.Softmax())
<(device) #——————3——————
self.opt = optim.SGD(self.parameters(),lr=0.01)#——————4——————
def forward(self,inputs): #——————5——————
x = self.layer1(inputs)
x = self.layer2(x)
x = self.layer3(x)
x = self.layer4(x)
return x
def get_loss(self,true_labels,predicts):
loss = -true_labels * torch.log(predicts) #——————6——————
loss = an(loss)
return loss
def train(self,imgs,labels):
predicts = model(imgs)
loss = _loss(labels,predicts)
_grad()#——————7——————
loss.backward()#——————8——————
self.opt.step()#——————9——————
model = ModelTest(device)
summary(model,(1,28,28),3,device='cuda') #——————10——————
#1：获取设备，以⽅便后⾯的模型与变量进⾏内存迁移，设备名只有两种：'cuda'和'cpu'。通常是在你有GPU的情况下需要这样显式进⾏设备的设置，从⽽在需要时，你可以将变量从主存迁移到显存中。如果没有GPU，不获取也没事，pytorch会默认将参数都保存在主存中。
#2：模型中层的定义，可以使⽤Sequential将想要统⼀管理的层集中表⽰为⼀层。
#3：在初始化中将模型参数迁移到GPU显存中，加速运算，当然你也可以在需要时在外部执⾏(device)进⾏迁移。
#4：定义模型的优化器，和TF不同，pytorch需要在定义时就将需要梯度下降的参数传⼊，也就是其中的
self.parameters()，表⽰当前模型的所有参数。实际上你不⽤担⼼定义优化器和模型参数的顺序问题，因为self.parameters()的输出并不是模型参数的实例，⽽是整个模型参数对象的指针，所以即使你在定义优化器之后⼜定义了⼀个层，它依然能优化到。当然优化器你也可以在外部定义，传⼊model.parameters()即可。这⾥定义了⼀个随机梯度下降。
#5：模型的前向传播，和TF的call()类似，定义好model()所执⾏的就是这个函数。
#6：我将获取loss的函数集成在了模型中，这⾥计算的是真实标签和预测标签之间的交叉熵。
#7/8/9：在TF中，参数梯度是保存在梯度带中的，⽽在pytorch中，参数梯度是各⾃集成在对应的参数中的，可以使⽤ad来查看。每次对loss执⾏backward()，pytorch都会将参与loss计算的所有可训练参数关于loss的梯度叠加进去（直
接相加）。所以如果我们没有叠加梯度的意愿的话，那就要在backward()之前先把之前的梯度删除。⼜因为我们前⾯已经把待训练的参数都传⼊了优化器，所以，对优化器使⽤zero_grad()，就能把所有待训练参数中已存在的梯度都清零。那么梯度叠加什么时候⽤到呢？⽐如批量梯度下降，当内存不够直接计算整个批量的梯度时，我们只能将批量分成⼀部分⼀部分来计算，每算⼀个部分得到loss就backward()⼀次，从⽽得到整个批量的梯度。梯度计算好后，再执⾏优化器的step()，优化器根据可训练参数的梯度对其执⾏⼀步优化。
#10：使⽤torchsummary函数显⽰模型结构。奇怪为什么不把这个继承在torch⾥⾯，要重新安装⼀个torchsummary库。
2 训练及可视化
接下来使⽤模型进⾏训练，因为pytorch⾃带的MNIST数据集并不好⽤，所以我使⽤的是Keras⾃带的，定义了⼀个获取数据的⽣成器。下⾯是完整的训练及绘图代码（50次迭代记录⼀次准确率）：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import torch
from torch import nn,optim
from torchsummary import summary
from keras.datasets import mnist
from keras.utils import to_categorical
device = torch.device('cuda') #——————1——————
class ModelTest(nn.Module):
def __init__(self,device):
super().__init__()
self.layer1 = nn.Sequential(nn.Flatten(),nn.Linear(28*28,512),nn.ReLU())#——————2——————
self.layer2 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
self.layer3 = nn.Sequential(nn.Linear(512,512),nn.ReLU())
self.layer4 = nn.Sequential(nn.Linear(512,10),nn.Softmax())
<(device) #——————3——————
self.opt = optim.SGD(self.parameters(),lr=0.01)#——————4——————
def forward(self,inputs): #——————5——————
x = self.layer1(inputs)
x = self.layer2(x)
x = self.layer3(x)
x = self.layer4(x)
return x
def get_loss(self,true_labels,predicts):
loss = -true_labels * torch.log(predicts) #——————6——————
loss = an(loss)
return loss
def train(self,imgs,labels):
predicts = model(imgs)
loss = _loss(labels,predicts)
_grad()#——————7——————
loss.backward()#——————8——————
self.opt.step()#——————9——————
def get_data(device,is_train = True, batch = 1024, num = 10000):
train_data,test_data = mnist.load_data()
if is_train:
imgs,labels = train_data
else:
imgs,labels = test_data
imgs = (imgs/255*2-1)[:,np.newaxis,...]
labels = to_categorical(labels,10)
imgs = sor(imgs,dtype=torch.float32).to(device)
labels = sor(labels,dtype=torch.float32).to(device)
i = 0
while(True):
i += batch
if i > num:
i = batch
yield imgs[i-batch:i],labels[i-batch:i]
train_dg = get_data(device, True,batch=4096,num=60000)
test_dg = get_data(device, False,batch=5000,num=10000)
model = ModelTest(device)
summary(model,(1,28,28),11,device='cuda')
ACCs = []
import time
start = time.time()
for j in range(20000):
#训练
imgs,labels = next(train_dg)
#验证
img,label = next(test_dg)
predicts = model(img)
acc = 1 - unt_nonzero(torch.argmax(predicts,axis=1) - torch.argmax(label,axis=1))/label.shape[0]
if j % 50 == 0:
t = time.time() - start
start = time.time()
ACCs.append(acc.cpu().numpy())
print(j,t,'ACC: ',acc)
#绘图
x = np.linspace(0,len(ACCs),len(ACCs))
plt.plot(x,ACCs)
准确率变化图如下：
3 其它使⽤技巧
3.1 tensor与array
需要注意的是，pytorch的tensor基于numpy的array，它们是共享内存的。也就是说，如果你把tensor直接插⼊⼀个列表，当你修改这个tensor时，列表中的这个tensor也会被修改；更容易被忽略的是，即使你⽤tensor.detach.numpy()，先将tensor 转换为array类型，再插⼊列表，当你修改原本的tensor时，列表中的这个array也依然会被修改。所以如果我们只是想保存tensor的值⽽不是整个对象，就要使⽤np.array(tensor)将tensor的值复制出来。
3.2 ⾃定义层
在TF中，⾃定义模型通常继承keras的Model，⽽⾃定义层则是继承layers.Layer，继承不同的⽗类通常会造成初学者的困扰。⽽在pytorch中，⾃定义层与⾃定义模型⼀样，都是继承nn.Module。Pytorch将层与模型都看成了模块，这很容易理解。的确，层与模型之间本来也没有什么明确的界限。并且定义⽅式与上⾯定义模型的⽅式⼀样，也是实现两个函数即可。代码⽰例如下：
import torch
from torch import nn
class ParaDeconv(nn.Module):#——————1——————
def __init__(self,in_n,out_n):
super().__init__()
self.w = nn.al(0,0.01,size = [in_n,out_n]),requires_grad=True)
self.b = nn.al(0,0.01,size = [out_n]),requires_grad=True)
def forward(self,inputs):
x = torch.matmul(inputs,self.w)
x = x + self.b
return x
layer = ParaDeconv(2,3)
y = s(100,2))#——————2——————
loss = torch.sum(y)#——————3——————
loss.backward()#——————4——————
for i in layer.parameters():#——————5——————
ad)#——————6——————
#1：⾃定义⼀个全连接层。层中可训练参数的定义是使⽤nn.Parameter，如果直接使⽤sor是⽆法在#5中遍历到的。
#2/3/4：输⼊并计算loss，然后反向传播计算参数梯度。
#5/6：输出完成反向传播后层参数的梯度。
以上定义的层可以和pytorch⾃带的层⼀样直接插⼊模型中使⽤。
3.3 保存/加载
3.3.1 保存/加载模型
有两种⽅式，⼀种是保存模型的参数：
torch.save(model.state_dict(), PATH) #保存
model.load_state_dict(torch.load(PATH),strict=True) #加载
这种加载⽅式需要先定义模型，然后再加载参数。如果你定义的模型参数名与保存的参数对不上，就会出错。但如果把
strict修改成False，不严格匹配，它就会只匹配对应上的键值，不会因多出或缺少的参数⽽报错。
另⼀种是直接保存模型：
torch.save(model, PATH) #保存
model = torch.load(PATH) #加载
这种⽅式看似⽅便，实际上更容易出错。因为python不能保存整个模型的类，所以它只能保存定义类的代码⽂件位置，以在加载时获取类的结构。如果你改变了定义类的代码位置，就有可能因为不到类⽽出错。
3.3.2 保存训练点
当你要保存某个训练阶段的状态，⽐如包含优化器参数、模型参数、训练迭代次数等，可以进⾏如下操作：
#保存训练点
torch.save({
'epoch': epoch,
'model_state_dict': model.state_dict(),
'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
'loss': loss
}, PATH)
#加载训练点
model = TheModelClass(*args, **kwargs)
optimizer = TheOptimizerClass(*args, **kwargs)
checkpoint = torch.load(PATH)
model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])
epoch = checkpoint['epoch']
loss = checkpoint['loss']
和保存模型⼀样，也是使⽤torch.save()。它很灵活，可以保存字典，因此读取的时候也按照字典索引读取即可。当然要注意，并不是任何类型都能保存的，这⾥保存的四个类型分别是：
1. int
2. collections.OrderedDict
3. collections.OrderedDict
4. list
3.4 修改模型参数
Pytorch没有提供额外的⽅式让我们修改模型参数，我们可以使⽤上⾯加载模型参数的⽅式来修改参数。对于某个参数，我们只要把键值和对应要修改的值放在字典中传⼊load_state_dict即可。如果没传⼊所有的参数，记得把strict设为False。⽰例如下：
model.load_state_dict({'weight':sor([0.])},strict=False) #修改模型参数
参数名，也就是键值，和对应的参数shape可以通过model.state_dict()查看。
以上就是使⽤Pytorch搭建模型的步骤的详细内容，更多关于Pytorch搭建模型的资料请关注其它相关⽂章！
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